绿塘水库堆石混凝土大试件力学性能试验研究

李友彬，朱柏松，唐晓玲，何涛洪，乔志超，吴弦谦，杨 林

(1.贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563002；3.北京华石纳固科技有限公司，北京 100085)

堆石混凝土(Rock Filled Concrete，简称RFC)技术是由清华大学水利系团队发明并获得国家发明专利授权的新型大体积混凝土施工技术。贵州遵义绿塘拱坝是国内首座不分横缝和应用混凝土预制块模板的RFC单曲拱坝，水库总库容2040万m3Ⅲ等中型工程，坝顶高829.50m，坝顶宽6.0m，最大坝底厚16.0m，最大坝高53.5m。为复核验证前期设计成果，研究RFC力学性能，对坝体材料RFC作相关试验研究，使理论计算分析参数取值更加合理、计算成果更加可靠，为RFC拱坝应用推广提供借鉴作用。

1 理论基础

朱柏松教授首先建议对RFC应视为复合材料来研究，抗拉强度对RFC拱坝结构受力稳定性起主要作用，材料力学性能决定结构应力应变状态，决定大坝的强度安全和承载能力。本研究针对RFC大试件考虑堆石、SCC、堆石体与SCC硬化水泥胶体粘结面随机组成复合材料三相介质，获取基本性能参数；分析RFC在荷载作用下应力发展和最终破坏全过程。分别进行堆石、SCC、堆石与SCC粘结界面力学性能试验，推导RFC复合材料本构关系模型，为RFC拱坝及其他类型坝提供安全分析评估基础数据。

理论上，复合材料在受力时，高弹性、高模量介质承受大部分荷载，低弹性、低模量介质主要作为媒介，传递和分散荷载。各相的性能关系如下[4]：

σc=k1[σfφf+σm(1-φf)]=k1[σfφf+σmφm)]

(1)

Ec=k2[Efφf+Em(1-φf)]=k2[Efφf+Emφm]

(2)

式中，σf、Ef—高弹性、高模量的介质的强度和弹性模量；σm、Em—低弹性、低模量介质的强度和弹性模量；φf—高弹性、高模量的介质的体积分数；φm—低弹性、低模量介质的体积分数，堆石混凝土一般φf为55%，则(1-φf)=45%；k1、k2—常数，与界面强度有关，与堆石和自密实混凝土的粘结界面的粘结强度、排列分布方式、断裂形式有关。

为达到复合强化目的要求，应满足以下条件：

(1)高弹性、高模量的介质的强度、弹模应该远远高于低弹性、低模量介质，保证复合材料受力时主要由高弹性、高模量的介质承受荷载。

(2)高弹性、高模量的介质与低弹性、低模量介质之间应有足够的结合强度，保证低弹性、低模量介质所承受的荷载能通过界面传递给高弹性、高模量的介质，并且防止脆性破坏。

2 试验概况

本试验研究基于贵州遵义绿塘水库实体工程浇筑的RFC试验仓、对其切割、加工大试件，试验研究RFC抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量等指标。

2.1 堆石混凝土材料指标

试验采用C9015W6F50等级SCC进行RFC浇筑。RFC原材料：P.O42.5普通硅酸盐水泥；II级粉煤灰；粒径5～20mm连续级配碎石；细度模数为2.9，级配较差石粉含量14%机制山砂；华石纳固生产聚羧酸高效减水剂HSNG-T，减水率28%；施工现场用水；粒径大于300mm石灰岩块石随机堆放，表观密度2.63g/cm3。SCC填充率45%，堆石率55%，详见表1—3。

表1 自密实性能混凝土配合比 单位：kg/m3

表2 自密实混凝土SCC力学指标 单位：MPa

表3 岩石(堆石体)力学指标 单位：MPa

2.2 试件的制备

按照同材料、同环境、同工艺在绿塘水库施工现场浇筑2200mm×2200mm×2200mm的试验仓，如图2所示，与坝体同环境养护，到90d龄期用绳式切割机对试验仓切割，运输到加工厂按照要求的几何尺寸，如图1所示，并按表4精度进行切割和加工，成型大试件进行抗压强度、劈裂抗拉、静力弹性模量等试验研究如图3所示。

2.3 试验设备及试验过程

RFC抗压强度、劈裂抗拉强度、静力弹性模量试验根据SL352—2006《水工混凝土试验规程》和NB/T10077—2018《堆石混凝土筑坝技术导则》附录D开展试验。

图1 试验仓加工立方体及棱柱体大试件设计图

表4 堆石混凝土大试件试验内容及尺寸

图2 现场试验仓

采用绳式切割机现场加工成型，工厂细加工大试件，运至在贵州大学土木工程学院实验中心10000KN(1000t)的压力机上进行试验。

3 试验数据和分析

3.1 堆石混凝土大试件表面特征及缺陷照片

通过试验仓切割加工成型随机检查的大试件RFC复合材料断面发现均存在缺陷，如图4所示。

图3 现场切割试验仓

图4 表面特征及存在的缺陷

观察统计切割后大试件存在缺陷：第1种现象，加工厂精细加工过程中发现容易造成试件中SCC与被包裹的堆石体的剥离。第2种现象，堆石和SCC之间的界面胶结粘结不紧密，在堆石密集部位以及存在堆石粒径过小的局部地方，SCC不能完全填充堆石间的空隙，形成外部缺陷明缝或内部缺陷的“隐缝”。第3种现象，SCC中有肉眼可见数量可观的气泡。

3.2 抗压强度试验及试验数据

本试验研究抗压强度试验照片如图5所示。

图5 抗压强度试验

3.2.1试验数据及分析

本研究开展大量试验，相关试验数据统计分析见表5—7、图6所示。说明：表5的抗压强度值是立方体大试件试验数值。

表5 RFC大试件抗压强度力学指标 单位：MPa

图6 RFC大试件抗压强度值所占比例

表6 RFC大试件力学指标

表7 RFC大试件抗压强度值所占比例 单位：MPa

SL352—2006规定，“以3个试件测值的平均值作为该组试件的抗压强度试验结果。”由于堆石混凝土离散性较大，无法用3个试件的平均值作代表，用数理统计的办法来计算抗压强度。

3.2.2试验现象分析

试验开始大试件表面无明显裂缝，加载后试件表面沿高度出现可见竖向裂缝，随荷载增加裂缝不断加宽，试件其他部位出现局部短斜裂缝，临近破坏时缝宽度加大并贯穿试件表面，部分大试件出现较多竖向裂缝及少量斜裂缝，可见部分块石被剪断，部分块石掉出，但破坏主要是块石和SCC粘结界面薄弱处裂缝发展所致。

抗压强度试件大部分破坏属于纵向破坏，裂缝沿石块与SCC粘接面周边斜向发展或穿过RFC中的石块，堆石体与SCC粘结处裂缝最宽。RFC抗压大试件堆石有节理处首先堆石体被剪切破坏。有一个抗压大试件试验中达到极限发生突然碎裂破坏。

依据姜福田所著《水工混凝土性能及检测》结合本研究试验结果分析统计，推测RFC立方体大试件会按承载力为极限强度值的大概百分比例形成试件内部破坏裂纹主要沿堆石与自密实混凝土SCC粘结界面发展，当承载力增加试件裂纹发育更多，且堆石与自密实粘结界面和自密实混凝土裂纹相互连通，当承载力增大一个值时，RFC大试件内部裂纹把试件分成若干部分，继续加载到极限强度值的100%大试件破坏。

大试件受压破坏后，观察断裂面试件的局部破坏，可见部分断裂面平整，部分可见块石裂缝，大部分裂缝处于SCC和块石的粘接界面处。分析断裂面现象，被剪断块石分布较分散，没有规律可寻。大部分由于产生剪切滑移断裂存在于堆石体和SCC粘结界面，说明RFC受压破坏时起主导作用的是SCC和堆石体两种材料粘接界面的粘结能力。

堆石体的堆放随机性使得堆石体与SCC粘结界面处于受力最不利位置，受拉应力大于堆石体与SCC的粘接抗拉应力，推测堆石体在弯剪作用下出现断裂和掉落，裂缝快速发展。由于堆石混凝土是SCC和堆石体的复合材料，从微观上试件内部存在原始微裂缝，由于堆石粒径比较大，考虑微裂缝的界面大部分位于SCC和堆石体的交接面上，可能使得堆石混凝土RFC初始及破坏裂缝多为竖向主因。

RFC是非均质复合材料，堆石在RFC中嵌挤状态(或称咬合状态)随机分布，切割时不同部位的堆石体留存在试件中不同部位起加强和嵌挤(咬合)作用，在受力作用下荷载分布也是不均匀的。RFC内堆石体、SCC以及堆石体与SCC的粘结界面形成的三相组合导致试件内部应力重分布，结构上试件内部为强嵌挤(咬合)弱粘结，强抗压弱抗拉，对试件整体力学性能产生显著影响。

3.2.3系数k1的计算

k1定义为堆石混凝土大试件抗压强度调整系数。经过式(1)进行方程回归得到k1，数值在0.40-0.76之间，本研究样本有限，建议取平均值为0.58。

用建议的k1=0.58计算的立方体抗压强度为30.2MPa与几何尺寸为450mm的立方体大试件实际强度平均值31.7MPa相差1.5MPa，理论计算与RFC大试件实际强度比值误差为4.7%。

3.2.4抗压强度试验小结：

3.2.5.1试验结果大试件立方体抗压强度值分布在20.7～51.1MPa之间。

3.2.5.2试件存在各种缺陷，堆石料分布不均匀或存在层间裂隙、堆石体面面接触等，测试抗压强度值要小于实际强度。

3.2.5.3 NB/T10077—2018第4.3.1条规定“堆石混凝土强度等级应采用高自密实性能混凝土强度等级为代表。”现该工程设计标号为C9015W6F50等级，RFC大试件试验结果是31.7MPa，试验结果是设计抗压强度的31.7/15=2.11倍。

3.3 劈裂抗拉试验

劈裂抗拉强度相关试验照片如图7所示。

图7 劈裂抗拉强度试验

3.3.1试验数据及分析

试验数据统计分析见表8—10，如图8所示。

表8 RFC大试件劈裂抗拉试验结果 单位：MPa

表9 RFC大试件抗拉强度值所占比例 单位：MPa

表10 RFC大试件劈裂抗拉强度力学指标 单位：MPa

图8 RFC大试件抗拉强度值所占比例

3.3.2试验现象分析

劈裂抗拉试验类似常规混凝土情况，试件大部分破坏属于纵向破坏。大试件在受到线性劈裂荷载作用下，首先观察到RFC大试件侧面产生裂缝，裂缝沿堆石体与SCC粘接面周边发展或斜向穿过RFC中的堆石体。大试件劈裂试验破坏存在局部应力集中斜向45°；堆石体被剪切及碎裂的局部破坏；堆石体和SCC脱离破坏；大试件堆石体中部剪切破坏，及沿堆石体节理进行破坏。由于堆石体的随机性堆放使得堆石在荷载作用时处于受力最不利位置有偏心受力出现。

试验结果显示堆石混凝土大试件劈裂破坏后，堆石和SCC粘接界面观察到断裂面；部分断裂面平整，部分可见堆石裂缝；大部分裂缝处于堆石和SCC的粘接界面处。裂纹开展比较充分的地方，推测堆石和SCC的粘结界面充分密实粘接力抗拉强度较大。

3.3.3试验小结

3.3.4.1试验结果大试件立方体劈裂抗拉强度值分布在1.76-4.87MPa之间，均值3.09MPa。

3.3.4.2RFC大试件劈裂抗拉强度是现场取样的专用SCC立方体标准试件劈裂抗拉强度的1.29倍。该值需要进一步验证，需要考虑大尺寸试验的尺寸效应。

3.3.4.3堆石体分布不均匀，大试件多数存在缺陷，总体上堆石混凝土大试件RFC劈裂抗拉强度评定值从试验数据及破坏机理与常规混凝土相当。

3.4 静力弹性模量

静力弹性模量相关试验照片如图9所示。

图9 静力弹性模量试验

3.4.1试验数据及分析

弹性模量试验参数见表11—13，如图10所示。

表11 RFC大试件弹性模量试验参数 单位：GPa

表12 RFC大试件弹性模量值所占比例 单位：GPa

表13 RFC大试件弹性模量综合参数 单位：GPa

图10 RFC大试件弹性模量值所占比例

3.4.2系数k2的计算

k2定义为堆石混凝土弹性模量调整系数。首先采用复合材料理论，RFC弹性模量则有上限和下限理论估算。上限单向复合材料并联模型的混合律：

Ec=EfVf+EmVm

Ec=53.8×0.55+22.1×0.45=39.54GPa

下限单向复合材料串联模型的混合律：

1/Ec=Vf/Ef+Vm/Em

Ec=EfEm/(EmVf+EfVm)

Ec=53.8×22.1/(22.1×0.55+53.8×0.45)

=1188.98/36.365=32.70GPa

堆石混凝土RFC作为复合材料的弹性模量在上下限之间，取其平均值为36.12GPa。

经过式(2)进行方程回归得到k2，数值在0.72～0.97之间，本研究样本有限，建议取平均值为0.85。

用建议的k2=0.85计算的弹性模量33.6GPa需和上下限值的平均值比较，复合律计算的上下限所取平均值36.12GPa。取大值36.12GPa作为堆石混凝土RFC的理论弹性模量。实测堆石混凝土弹性模量为平均值为34.01GPa。实测值、k2计算值与上下限的均值非常接近，理论取值36.12GPa与实际强度比值误差为6%，。

实测堆石混凝土弹性模量为28.65-38.52GPa范围，平均值为34.01GPa，数值较高。实测值与复合材料理论中的上下限值非常接近。SL191—2008《水工混凝土结构设计规范》中C15对应的标准值为22.0GPa，是标准试件的试验值并考虑了保证率系数的取值。

3.4.3试验小结

通过对比堆石混凝土大试件抗压弹性模量为34.01GPa，约为SL191—2008中标准值 22.0GPa 的1.55倍。 试验得到的是瞬时弹性模量，拱坝计算时要考虑徐变影响。

试验得到的是瞬时弹性模量，拱坝计算时要考虑徐变影响。常规混凝土(包括全级配混凝土)，根据SL282—2018《混凝土拱坝设计规范》7.3.3条：考虑混凝土徐变等影响，拱坝应力分析应采用坝体混凝土持续弹性模量进行计算，坝体混凝土持续弹性模量可采用混凝土试件瞬时弹性模量的0.6-0.7倍。计算弹性模量取0.6-0.7倍瞬时模量，即0.6-0.7×34.01GPa=20.4-23.8GPa，通常计算弹性模量取为20.00GPa。

本次试验RFC大试件抗压弹性模量低于专用自密实混凝土，试件中堆石含量较低和堆积骨架状态有一定的关系，有必要进行深入研究。

4 结论及建议

根据试验研究，得到如下结论：

(1)RFC具备较高的抗压强度、劈裂抗拉强度。RFC中SCC和块石之间粘结强度、界面的性能还不清楚，建议进一步研究。

(2)RFC强度、弹性模量数值具有离散性。还应做轴心抗拉强度和弯曲抗拉强度试验。

(3)RFC施工及质量评定过程中，可以按照规定频率对SCC和堆石取样试验得到相关参数，建议取k1值按式(1)计算堆石混凝土RFC的抗压强度。

(4)RFC施工及质量评定过程中，按照规定频率对SCC和堆石取样试验得到相关参数，建议取k2值按式(2)计算得RFC弹性模量值。

建议：对于RFC工程项目，项目开工即采用同材料、同工艺、同条件浇筑试验仓，采用切割技术成型大试件按相关规定进行试验，获得每一个项目的k1和k2值作为指导设计、施工、质量控制、竣工验收的重要参数。在项目实施进行中，对自密实混凝土SCC和堆石体按频率取样，结合k1和k2值计算强度和弹性模量，作为常规质量检测和控制的依据。